一种电池双向均衡电路、系统的制作方法

本实用新型涉及电池管理技术领域，具体涉及一种电池双向均衡电路、系统。

背景技术：

一个电池组由许多电池单体串联或者并联后串联组成，这些电池单体由于制作工艺、电池老化、电池温度不同以及内阻变化等各种因素，容易出现电池单体之间不均衡的情况。

若继续使用，则该电池组的放电量由电量最小的电池单体决定，不但影响电池组的续航时间，而且电量最小的电池单体可能会出现过放电的情况，从而使该电量最小的电池单机出现不可恢复的损坏，进而降低与其串联的电池组的使用寿命。

目前，国内外的研究人员深入研究动力电池均衡方法，例如，利用电阻消耗掉电池单体多出的电量，从而均衡电池组中所有电池单体的电量。该方法控制简单，但是能耗大造成电池能量浪费，且造成容易热排放困难。又如，通过电容或者电感类的非耗能元件将电量高的电池单体的电量转移出，从而实现电池组内电池单体的电量均衡。该方法弥补上述方法的不足。但是该方法需要增加大容量的非耗能元件且转移出电量容易降低电池组的续航时间。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种电池双向均衡电路、系统，可以解决现有技术中电池组均衡时需要转移出部分电量而引起的降低电池组续航时间的问题。

第一方面，本实用新型提供了一种电池双向均衡电路，包括：设置有多个原边绕组的变换器，且任意相邻的两个原边绕组的同名端相邻近或者相背离，与所述多个原边绕组一一对应连接的多组供电单元，且所述多组供电单元中电池单体串联，采集单元以及均衡控制单元；

所述采集单元与所述多个供电单元相连接，用于获取所述多个供电单元中电池单体的电压；

所述均衡控制单元分别与所述供电单元以及所述采集单元相连接，用于根据每个供电单元中电池单体的电压生成第一控制信号同时开启偶数位置或者奇数位置的供电单元，以均衡每个电池单体的电量。

可选地，所述供电单元包括电池单体、第一开关模块以及第二开关模块；

所述电池单体的正极连接所述第一开关模块的第一端，所述第一开关模块的第二端连接对应原边绕组的同名端；

所述电池单体的负极连接所述第二开关模块的第一端，所述第二开关模块的第二端连接所述原边绕组的异名端；

或者，

所述电池单体的正极连接所述第一开关模块的第一端，所述第一开关模块的第二端连接对应原边绕组的异名端；

所述电池单体的负极连接所述第二开关模块的第一端，所述第二开关模块的第二端连接所述原边绕组的同名端；

所述第一开关模块的控制端和所述第二开关模块的控制端与所述均衡控制单元连接。

可选地，所述第一开关模块和/或所述第二开关模块为PMOS薄膜晶体管或者NMOS薄膜晶体管。

可选地，同一个供电单元中第一开关模块与第二开关模块同为PMOS薄膜晶体管或者同为NMOS薄膜晶体管；并且，

所有供电单元同为PMOS薄膜晶体管或者同为NMOS薄膜晶体管，或者，

相邻供电单元中PMOS薄膜晶体管与NMOS薄膜晶体管依次交替设置。

可选地，还包括第一隔离变压器与第二隔离变压器；

所述第一隔离变压器的原边绕组与所述均衡控制单元连接，副边绕组与奇数位置的供电单元中第一开关模块和第二开关的控制端连接；

所述第二隔离变压器的原边绕组与所述均衡控制单元连接，副边绕组与偶数位置的供电单元中第一开关模块和第二开关的控制端连接。

可选地，所述供电单元还包括滤波模块，所述滤波模块的第一端与电池单体的正极连接，第二端与所述电池单体的负极连接。

可选地，所述变换器包括多个副边绕组，且任意相邻的两个副边绕组的同名端相邻近或者相背离。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种电池双向均衡系统，包括如上文所述的电池双向均衡电路，还包括极性转换单元；

所述极性转换单元的第一端连接奇数位置的变换器副边绕组的同名端，第二端连接所述奇数位置的变换器副边绕组的异名端，第三端连接偶数位置的变换器副边绕组的同名端，第四端连接所述偶数位置的变换器副边绕组的异名端，用于在第一端与第三端连接且第二端与第四端连接时所述多个副边绕组顺次串联，以及第一端与第四端连接且第二端与第三端连接时所述多个副边绕组依次交替串联。

由上述技术方案可知，本实用新型通过设置采集单元及时采集每个供电单元中电池单体的电压，均衡控制单元根据每个电池单体的电压生成第一控制信号同时开启偶数位置或者奇数位置的供电单元，实现电池单体中电量双向移动。可见本实用新型实施例中无需增加非耗能元件，结构简单；并且无需利用非耗能元件转移电池单体高出的电量，而是通过控制供电单元的开启与关闭直接均衡多个电池单体之间的电量，均衡效率高。在所有电池单体电量均衡的情况下，可以有效提高电池的续航时间。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本实用新型的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本实用新型进行任何限制，在附图中：

图1是本实用新型实施例提供的一种电池双向均衡电路图；

图2是本实用新型实施例提供的一种电池双向均衡系统图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

本实用新型实施例提供了一种电池双向均衡电路，如图1所示，包括：设置有多个原边绕组(如图1中绕组A、B、C、D)的变换器T1，且任意相邻的两个原边绕组的同名端相邻近(B与C的同名端相邻近)或者相背离(A与B的同名端相背离)；与多个原边绕组一一对应连接的多组供电单元10(图1中虚线框内元件构成一组供电单元，)，且多组供电单元中电池单体(图1中电池单体1、2、3、4)串联，采集单元20以及均衡控制单元30。

采集单元20与多个供电单元10相连接，用于获取多个供电单元10中电池单体的电压；

均衡控制单元30分别与供电单元10以及采集单元20相连接，用于根据每个供电单元10中电池单体的电压生成第一控制信号同时开启偶数位置或者奇数位置的供电单元10，以均衡每个电池单体的电量。

需要说明的是，本实用新型实施例中第一控制信号是指，均衡控制单元30生成的用于控制供电单元10开启或者关闭的信号。该第一控制信号包括开启奇数位置或者偶数位置的供电单元10的开启信号以及关闭信号。本实用新型实施例中仅介绍具有开启作用的第一控制信号，对于电池单体均衡后具有关闭作用的第一控制信号下文中不再介绍。

需要说明的是，本实用新型实施例中采集单元20可以采用现有技术中的具有电压采集功能的电路实现即可，在此不再赘述。

需要说明的是，本实用新型实施例中均衡控制单元30可以采用现有技术中例如单片机、DSP或者ARM芯片的电路实现，仅需要在其中预先存储控制策略即可。

本实用新型实施例中每个供电单元10包括电池单体、第一开关模块以及第二开关模块。多个供电单元的电池单元相互串联。对于奇数位置的供电单元：电池单体的正极连接第一开关模块的第一端，第一开关模块的第二端连接对应原边绕组的同名端；电池单体的负极连接第二开关模块的第一端，第二开关模块的第二端连接原边绕组的异名端。对于偶数位置的供电单元：电池单体的正极连接第一开关模块的第一端，第一开关模块的第二端连接对应原边绕组的异名端；电池单体的负极连接第二开关模块的第一端，第二开关模块的第二端连接原边绕组的同名端；第一开关模块的控制端和第二开关模块的控制端与均衡控制单元连接。

如图1所示，奇数位置：以电池单体1对应的供电单元10为例，电池单体1正极连接第一开关模块的第一端，该第一开关模块的第二端连接原边绕组A的同名端。该电池单体1负极连接第二开关模块的第一端，该第二开关模块的第二端连接原边绕组A的异名端。偶数位置：以电池单体2对应的供电单元10为例，电池单体2正极连接第一开关模块的第一端，该第一开关模块的第二端连接原边绕组B的同名端。电池单体2负极连接第二开关模块的第一端，该第二开关模块的第二端连接原边绕组B的异名端。

需要说明的是，本实用新型实施例奇数位置和偶数位置的供电单元与原边绕组的连接方式由原边绕组的排列方式决定。当原边绕组A与原边绕组B的同名端相邻近时，电池单体此时由图1中的正极在上变为正极下，也可以改变副边绕组的同名端的位置。本领域技术人员可以根据具体场景进行设置，同样可以实现本实用新型的技术方案。

本实用新型实施例中奇数位置或者偶数位置的供电单元10中第一开关模块与第二开关模块同时开启或者同时关闭。为简化电路，第一开关模块和/或第二开关模块为PMOS薄膜晶体管或者NMOS薄膜晶体管。即所有供电单元10中第一开关模块与第二开关模块同时由PMOS薄膜晶体管或者NMOS薄膜晶体管构成。此时，均衡控制单元30提供两个信号输出端分别为奇数位置的供电单元与偶数位置的供电单元提供第一控制信号。

当然奇数位置的供电单元为PMOS薄膜晶体管或者NMOS薄膜晶体管，偶数位置的供电单元则采用与奇数位置不同的薄膜晶体管，例如奇数位置的供电单元为PMOS晶体管，则偶数位置的供电单元为NMOS晶体管，反之亦然。此时，均衡控制单元30仅需要提供一个信号输出端即可分别为奇数位置的供电单元与偶数位置的供电单元提供第一控制信号。如图1所示，电池单体1对应的供电单元中，第一开关模块与第二开关模块采用NMOS晶体管，由于NMOS晶体管的控制端为高电平时该NMOS晶体管导通，则对应该供电单元的第一控制信号为高电平；电池单体2对应的供电单元中，第一开关模块与第二开关模块采用PMOS晶体管，由于PMOS晶体管的控制端为低电平时该PMOS晶体管导通，则对应该供电单元的第一控制信号为低电平。这样均衡控制单元仅设置一个输出端即可，节省硬件资源。

实际应用中，本实用新型实施例中所述电池双向均衡电路还包括隔离变压器40。优选地，该隔离变压器40包括第一隔离变压器与第二隔离变压器(图1中未示出)。第一隔离变压器的原边绕组与均衡控制单元30连接，副边绕组与奇数位置的供电单元中第一开关模块和第二开关的控制端连接。第二隔离变压器的原边绕组与均衡控制单元30连接，副边绕组与偶数位置的供电单元中第一开关模块和第二开关的控制端连接。此时均衡控制单元30提供两个输出端，供电单元10中开关模块可以任意选择PMOS薄膜晶体管或者NOS薄膜晶体管。

实际应用中，隔离变压器40仅由一个隔离变压器构成。该隔离变压器需要设置2个副边绕组，且两个副边绕组的同名端方向相背离。原边绕组与均衡控制单元30连接，第一副边绕组与奇数位置的供电单元的开关模块的控制端连接，第二副边绕组与偶数位置的供电单元的开关模块的控制端连接。此时均衡控制单元30仅需要提供一个输出端即可。但是为区别第一控制信号，此时相邻两个供电单元的开关模块需要由不同类型的MOS薄膜晶体管实现。例如奇数位置的供电单元采用PMOS晶体管，则偶数位置的供电单元NMOS晶体管，或者奇数位置的供电单元采用NMOS晶体管，则偶数位置的供电单元PMOS晶体管，这样均衡控制单元30仅通过一个输出端输出正值或者负值的第一控制信号即可实现开启对应的供电单元。

当然，上面的隔离变压器也可以仅设置一个副边绕组，然后直接连接所有的开关模块，如图2所示，所有开关模块采用NMOS薄膜晶体管，同样可以实现本申请的技术方案，在此不再详细说明。

实际应用中，本实用新型实施例中供电单元还包括滤波模块。滤波模块的第一端与电池单体的正极连接，第二端与所述电池单体的负极连接。如图1所示，该滤波模块可以由电容构成。该电容的第一极连接电池单体的正极，第二极连接电池单体的负极。通过设置滤波电路可以平缓电池单体的输出电压，消除电压的陡变。当然，该滤波模块也可以采用具有滤波功能的其他电路实现，本实用新型不作限定。

本实用新型实施例中变换器T1还包括多个副边绕组，且任意相邻的两个副边绕组的同名端相邻近或者相背离(图1中未示出)，具体设置可以参照原边绕组的设置方式，在此不再赘述。

本实用新型实施例提供的电池双向均衡电路的工作原理如下：

采集单元20分别采集每个供电单元10中电池单体的电压，并发送给均衡控制单元30；均衡控制单元30根据每个电池单体的电压生成第一控制信号同时开启偶数位置或者奇数位置的供电单元以均衡每个电池单体的电量。

需要说明的是，本实用新型实施例中采集单元20可以直接采集电池单体的电压，也可以在供电单元工作时，采集原边绕组同名端的电压。本领域技术人员可以根据场景选择合理的测量位置，本实用新型不作限定。

例如，当奇数位置的供电单元供电时，采集单元20采集原边绕组A与原边绕组C的同名端的电压分别为U_A、Uc。若U_A大于Uc，则电池单体1向电池单体3充电，充电电流为(U_A-Uc)/R。R为回路的电阻，可以根据实际情况选择。当U_A小于Uc时，此时电池单体3向电池单元1充电。可见，电池单元1与电池单体3之间可以实现电量的双向移动，从而实现电池单体1与电池单体3之间电量平衡。此时电池单体2和4关闭，且原边绕组的极性与原边绕组A和C的极性相反则不能充电。另外，由于原边绕组A和C的极性相反可以为其他原边绕组去磁，防止变换器T1出现饱和情况。

例如偶数位置的供电单元供电时，采集单元20采集原边绕组B与原边绕组D的同名端的电压。若U_B大于U_D，则电池单体2向电池单体4充电，充电电流为(U_B-U_D)/R。R为回路的电阻，可以根据实际情况选择。当U_B小于U_D时，此时电池单体4向电池单元2充电。可见，电池单元2与电池单体4之间可以实现电量的双向移动，从而实现电池单体2与电池单体4之间电量平衡。此时电池单体1和3关闭，且原边绕组的极性与原边绕组B和D的极性相反则不能充电。另外，由于原边绕组B和D的极性相反可以为其他原边绕组去磁，防止变换器T1出现饱和情况。

实施例二

本实用新型实施例还提供了一种电池双向均衡系统，如图2所示，包括多个上文所述的电池双向均衡电路，还包括极性转换单元50。其中，极性转换单元50的第一端连接奇数位置的变换器副边绕组的同名端，第二端连接奇数位置的变换器副边绕组的异名端，第三端连接偶数位置的变换器副边绕组的同名端，第四端连接所述偶数位置的变换器副边绕组的异名端，用于在第一端与第三端连接且第二端与第四端连接时多个副边绕组顺次串联，以及第一端与第四端连接且第二端与第三端连接时所述多个副边绕组依次交替串联。

需要说明的是，本实用新型实施例中电池双向均衡电路的详细说明参见实施例一，在此不再赘述。

如图2所示，该电池双向均衡系统中包括2个电池双向均衡电路，第一均衡电路(图2中左侧的电池双向均衡电路)与第二均衡电路(图2中右侧的电池双向均衡电路)通过极性转换单元50连接。极性转换单元50与均衡控制单元30相连接(图中未示出)。

当极性转换单元50将变换器T1与变换器T2副边绕组的同名端连接时，第一均衡电路的奇数位置供电单元可以与第二均衡电路的偶数位置供电单元实现双向电量均衡。当极性转换单元50将变换器T1的同名端与变换器T2副边绕组的异名端连接时，第一均衡电路的奇数位置供电单元可以与第二均衡电路的奇数位置供电单元实现双向电量均衡。

同理，当极性转换单元50将变换器T1与变换器T2副边绕组的同名端连接时，第一均衡电路的偶数位置供电单元可以与第二均衡电路的偶数位置供电单元实现双向电量均衡。当极性转换单元50将变换器T1的同名端与变换器T2副边绕组的异名端连接时，第一均衡电路的偶数位置供电单元可以与第二均衡电路的奇数位置供电单元实现双向电量均衡。

需要说明的是，图2中左侧第4个电池单体负极与右侧第4个电池单体的正极采用虚线连接：当未进行电量均衡时，所有电池单体串联为负载提供电能。当变换器T1与变换器T2为一个变换器时，此时虚线不存在，即两个电池双向均衡电路中的电池单体是分开的。当变换器T1与变换器T2为两个变换器时，两个电池双向均衡电路中的电池单体是串联的，此时通过设置至少两个隔离变压器实现两个电池双向均衡电路中极性转换以及电量均衡。

本实用新型提供的电池双向均衡系统的工作原理如下：

采集单元20分别采集每个供电单元中电池单体的电压并发送给均衡控制单元30；

当任意两个电池双向均衡电路中电池单体的电压差值超过预设值时生成第一控制信号同时开启偶数位置或者奇数位置的供电单元，以及生成第二控制信息调整极性转换单元的连接方式，以均衡开启供电单元电池单体的电量。

本实用新型实施例中通过设置极性转换单元可以均衡多个电池双向均衡电路中电池单体的电量。与实施例一相比，本实施例中，可以实现所有电池单体之间电量均衡。可见，本实用新型无需消耗电池单体高出的电量，不会引起电池电量浪费；无需设置非耗能元件，可以简化均衡电路结构。并且，本实用新型的控制比较简单，易于实现。

实施例三

本实用新型实施例又提供了一种用于上文所述的电池双向均衡电路的均衡方法，所述均衡方法包括：

采集单元分别采集每个供电单元中电池单体的电压并发送给均衡控制单元；

所述均衡控制单元根据每个电池单体的电压生成第一控制信号同时开启偶数位置或者奇数位置的供电单元以均衡每个电池单体的电量。

实施例四

本实用新型实施例又提供了一种用于上文所述的电池双向均衡系统的均衡方法，所述均衡方法包括：

采集单元分别采集每个供电单元中电池单体的电压并发送给均衡控制单元；

当任意两个电池双向均衡电路中电池单体的电压差值超过预设值时生成第一控制信号同时开启偶数位置或者奇数位置的供电单元，以及生成第二控制信息调整极性转换单元的连接方式，以均衡开启供电单元电池单体的电量。

可见，实施例三提供的均衡方法是基于实施例一提供的电池双向均衡电路实现，实施例四提供的均衡方法是基于实施例二提供的电池双向均衡系统实现，详细说明请参见实施例一与实施例二，在此不再详细。

综上所述，本实用新型实施例提供的电池双向均衡电路、系统，利用采集单元采集电池单体的电压，由均衡控制单元根据每个电池单体的电压生成第一控制信号开启奇数位置或者偶数位置的供电单元，以均衡电池单体之间的电量。通过设置极性转换装置的连接方式，使其中一个电池双向均衡电路可以为另一个电池双向均衡电路中奇数位置或者偶数位置的电池单体进行充电，从而实现所有电池单体的电量均衡。可见，本实用新型实施例无需要非耗能元件，电路简单。电池单体高出的电量可以转移支其他电池单体中，从而可以避免电池单体过放电或者放充电的情况，延长电池的使用寿命。另外，通过实现电池之间电池单体的电量均衡，可以提高电池的续航时间。

在本实用新型中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。